TY  - THES
A1  - Tian, Yuehui
T1  - Characterization of novel rhodopsins with light-regulated cGMP production or cGMP degradation
T1  - Charakterisierung neuartiger Rhodopsine mit Licht-regulierter cGMP-Produktion oder cGMP-Degradation
N2  - Photoreceptors are widely occurring in almost all kingdoms of life. They mediate the first step in sensing electromagnetic radiation of different wavelength. Absorption spectra are found within the strongest radiation from the sun and absorption usually triggers downstream signaling pathways. Until now, mainly 6 classes of representative photoreceptors are known: five water-soluble proteins, of these three classes of blue light-sensitive proteins including LOV (light-oxygen-voltage), BLUF (blue-light using FAD), and cryptochrome modules with flavin (vitamin B-related) nucleotides as chromophore; while two classes of yellow and red light-sensitive proteins consist of xanthopsin and phytochrome, respectively. Lastly, as uniquely integral membrane proteins, the class of rhodopsins can usually sense over a wide absorption spectrum, ranging from ultra-violet to green and even red light. Rhodopsins can be further divided into two types, i.e., microbial (type I) and animal (type II) rhodopsins. Rhodopsins consist of the protein opsin and the covalently bound chromophore retinal (vitamin A aldehyde). In this thesis, I focus on identification and characterization of novel type I opsins with guanylyl cyclase activity from green algae and a phosphodiesterase opsin from the protist Salpingoeca rosetta.
Until 2014, all known type I and II rhodopsins showed a typical structure with seven transmembrane helices (7TM), an extracellular N-terminus and a cytosolic C-terminus. The proven function of the experimentally characterized type I rhodopsins was membrane transport of ions or the coupling to a transducer which enables phototaxis via a signaling chain. A completely new class of type I rhodopsins with enzymatic activity was identified in 2014. A light-activated guanylyl cyclase opsin was discovered in the fungus Blastocladiella emersonii which was named Cyclop (Cyclase opsin) by Gao et al. (2015), after heterologous expression and rigorous in-vitro characterization. BeCyclop is the first opsin for which an 8 transmembrane helices (8TM) structure was demonstrated by Gao et al. (2015). Earlier (2004), a novel class of enzymatic rhodopsins was predicted to exist in C. reinhardtii by expressed sequence tag (EST) and genome data, however, no functional data were provided up to now. The hypothetical rhodopsin included an N-terminal opsin domain, a fused two-component system with histidinekinase and response regulator domain, and a C-terminal guanylyl cyclase (GC) domain. This suggested that there could be a biochemical signaling cascade, integrating light-induction and ATP-dependent phosphate transfer, and as output the light-sensitive cGMP production.
One of my projects focused on characterizing two such opsins from the green algae Chlamydomonas reinhardtii and Volvox carteri which we then named 2c-Cyclop (two-component Cyclase opsin), Cr2c-Cyclop and Vc2c-Cyclop, respectively. My results show that both 2c-Cyclops are light-inhibited GCs. Interestingly, Cr2c-Cyclop and Vc2c-Cyclop are very sensitive to light and ATP-dependent, whereby the action spectra of Cr2c-Cyclop and Vc2c-Cyclop peak at ~540 nm and ~560 nm, respectively. More importantly, guanylyl cyclase activity is dependent on continuous phosphate transfer between histidine kinase and response regulator. However, green light can dramatically block phosphoryl group transfer and inhibit cyclase activity. Accordingly, mutation of the retinal-binding lysine in the opsin domain resulted in GC activity and lacking light-inhibition.
A novel rhodopsin phosphodiesterase from the protist Salpingoeca rosetta (SrRhoPDE) was discovered in 2017. However, the previous two studies of 2017 claimed a very weak or absent light-regulation. Here I give strong evidence for light-regulation by studying the activity of SrRhoPDE, expressed in Xenopus laevis oocytes, in-vitro at different cGMP concentrations. Surprisingly, hydrolysis of cGMP shows a ~100-fold higher turnover than that of cAMP. Light can enhance substrate affinity by decreasing the Km value for cGMP from 80 μM to 13 μM, but increases the maximum turnover only by ~30%. In addition, two key single mutants, SrRhoPDE K296A or K296M, can abolish the light-activation effect by interrupting a covalent bond of Schiff base type to the chromophore retinal. I also demonstrate that SrRhoPDE shows cytosolic N- and C- termini, most likely via an 8-TM structure. In the future, SrRhoPDE can be a potentially useful optogenetic tool for light-regulation of cGMP concentration, possibly after further improvements by genetic engineering.
N2  - Photorezeptoren sind in fast allen Lebewesen vorzufinden. Sie vermitteln den ersten Schritt bei der Detektion von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. Ihre Absorptionsspektren finden sich innerhalb des Bereichs der stärksten Sonnenstrahlung (UV bis nahes IR) und die Absorption löst normalerweise nachgelagerte Signalwege aus. Bis jetzt sind hauptsächlich 6 Klassen von Photorezeptoren bekannt: als wasserlösliche Proteine zunächst drei Klassen von Blaulicht-empfindlichen Modulen, die LOV-Domäne (Light/Oxygen/Voltage), die BLUF-Domäne (Blue Light sensing, Using FAD) und Cryptochrom mit Flavinen (Vitamin B-Komplex) als Chromophor, sowie Xanthopsine, die hauptsächlich für gelbes Licht und Phytochrome, die für Rotlicht empfindlich sind. Als integrale Membranproteine kann die Klasse der Rhodopsine jedoch ein breiteres Absorptionsspektrum aufweisen, je nach Rhodopsin empfindlich für UV/blaues, grünes oder sogar rotes Licht. Rhodopsine bestehen aus dem Protein Opsin und dem kovalent gebundenen Chromophor Retinal (Vitamin A-Aldehyd). Sie können weiter in zwei Typen unterteilt werden, mikrobielle (Typ I) und tierische (Typ II) Rhodopsine. In dieser Dissertation konzentriere ich mich auf die Identifizierung und Charakterisierung von neuen Typ I Opsinen mit Guanylylcyclase-Aktivität aus Grünalgen und einem Phosphodiesterase-Opsin aus dem Protisten Salpingoeca rosetta.
Bis 2014 wiesen alle bekannten Rhodopsine eine typische Struktur mit sieben Transmembranhelices (7TM), einem extrazellulären N-Terminus und einem zytosolischen C- Terminus auf. Die nachgewiesene Funktion der experimentell charakterisierten Rhodopsine vom Typ I ist der Membrantransport von Ionen oder die Kopplung an einen Transducer, der die Phototaxis über eine Signalkette ermöglicht. Eine völlig neue Klasse von Typ-I Rhodopsinen mit enzymatischer Aktivität wurde 2014 gefunden. Ein lichtaktiviertes Guanylyl-Cyclase- Opsin wurde im Pilz Blastocladiella emersonii (Be) entdeckt, das von Gao et al. (2015) nach heterologer Expression und gründlicher in-vitro-Charakterisierung Cyclop (Cyclase opsin) genannt wurde. BeCyclop ist das erste Opsin, für das eine Struktur mit 8 Transmembranhelices (8TM) demonstriert wurde (Gao et al., 2015). Bereits früher (2004) wurde durch expressed sequence tag (EST) und Genom-Daten vorhergesagt, dass eine neue Klasse von enzymatischen
Rhodopsinen in Chlamydomonas reinhardtii existiert, jedoch gelang bisher keine funktionelle Expression. Eines dieser hypothetischen Rhodopsine umfasste eine N-terminale Opsin- Domäne, ein fusioniertes Zweikomponentensystem mit Histidinkinase- und Regulator-Domäne und eine C-terminale Guanylylcyclase (GC). Dies legte nahe, dass das Protein eine biochemische Signalkaskade inkorporieren könnte, die Licht-Absorption und ATP-abhängigen Phosphattransfer integriert und eine lichtempfindliche cGMP-Produktion bewirkt.
Eines meiner Projekte konzentrierte sich auf die Charakterisierung von zwei solchen Opsinen aus den Grünalgen C. reinhardtii und Volvox carteri, die wir nun 2c-Cyclop (Zweikomponenten-Cyclase-Opsin), d.h. Cr2c-Cyclop und Vc2c-Cyclop, nennen. Meine Ergebnisse zeigen, dass beide 2c-Cyclops durch Licht gehemmte GCs sind. Interessanterweise sind Cr2c-Cyclop und Vc2c-Cyclop sehr empfindlich gegenüber Licht und die cGMP- Produktion ist ATP-abhängig, wobei die Wirkungsspektren von Cr2c-Cyclop und Vc2c-Cyclop bei ~540 nm bzw. ~560 nm ihren Höhepunkt erreichen. Ich konnte zeigen, dass die Guanylyl- Cyclase-Aktivität von einem kontinuierlichen Phosphat-Transfer zwischen Histidinkinase und Response-Regulator abhängt. Grünes Licht kann jedoch den Phosphoryl-Gruppen-Transfer dramatisch blockieren und die Cyclase-Aktivität inhibieren. Dementsprechend führte die Mutation des Retinal-bindenden Lysins in der Opsindomäne zu einer cGMP Produktion ohne jegliche Lichtinhibierung.
Eine neuartige Rhodopsin-Phosphodiesterase aus dem Protisten Salpingoeca rosetta (SrRhoPDE) wurde im Jahr 2017 entdeckt. Die vorangegangenen zwei Studien von 2017 zeigten jedoch eine sehr schwache oder fehlende Lichtregulation der PDE-Aktivität. Hier konnte ich eine starke Lichtregulation beweisen, indem ich die Aktivität von SrRhoPDE, exprimiert in Xenopus laevis Oozyten, in-vitro bei verschiedenen cGMP-Konzentrationen untersuchte. Überraschenderweise zeigt die Hydrolyse von cGMP einen etwa 100-fach höheren Umsatz als der von cAMP. Licht kann die Substrataffinität durch Verringern des Km-Werts für cGMP von 80 µM auf 13 µM erhöhen, erhöht jedoch den maximalen Umsatz nur um ~30%. Darüber hinaus können zwei Einzelmutanten, SrRhoPDE K296A oder K296M, den Lichtaktivierungseffekt aufheben, indem sie eine kovalente Bindung vom Schiff-Base-Typ an
das Chromophor Retinal unterbrechen. Ich zeige auch, dass SrRhoPDE zytosolische N- und C-Termini aufweist, höchstwahrscheinlich über eine 8-TM-Struktur. In Zukunft könnte SrRhoPDE ein potentiell nützliches optogenetisches Werkzeug für die Lichtregulation der cGMP-Konzentration sein, möglicherweise nach weiteren Verbesserungen durch Gentechnik.
KW  - Photoreceptor
KW  - Rhodopsin
KW  - guanylyl cyclase (GC)
KW  - two-component
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168143
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlichting, Matthias
T1  - Light entrainment of the circadian clock: the importance of the visual system for adjusting Drosophila melanogaster´s activity pattern
T1  - Lichtentrainment der inneren Uhr: Die Bedeutung des visuellen Systems für die Anpassung des Aktivitätsmusters von Drosophila melanogaster
N2  - The change of day and night is one of the challenges all organisms are exposed to, as they have to adjust their physiology and behavior in an appropriate way. Therefore so called circadian clocks have evolved, which allow the organism to predict these cyclic changes of day and night. The underlying molecular mechanism is oscillating with its endogenous period of approximately 24 hours in constant conditions, but as soon as external stimuli, so called Zeitgebers, are present, the clocks adjust their period to exactly 24h, which is called entrainment. Studies in several species, including humans, animals and plants, showed that light is the most important Zeitgeber synchronizing physiology and behavior to the changes of day and night. Nevertheless also other stimuli, like changes in temperature, humidity or social interactions, are powerful Zeitgebers for entraining the clock. This thesis will focus on the question, how light influences the locomotor behavior of the fly in general, including a particular interest on the entrainment of the circadian clock. As a model organism Drosophila melanogaster was used.
During the last years several research groups investigated the effect of light on the circadian clock and their results showed that several light input pathways to the clock contribute to wild-type behavior. Most of the studies focused on the photopigment Cryptochrome (CRY) which is expressed in about half of the 150 clock neurons in the fly. CRY is activated by light, degrades the clock protein Timeless (TIM) and hence entrains the clock to the light-dark (LD)-cycle resulting from changes of day and night. However, also flies lacking CRY are still able to entrain their clock mechanism as well as their activity-rest-rhythm to LD-cycles, clearly showing that the visual system of the fly also contributes to clock synchronization. The mechanism how light information from the visual system is transferred to the clock is so far still unknown. This is also true for so-called masking-effects which are changes in the behavior of the animal that are directly initiated by external stimuli and therefore independent of the circadian clock. These effects complement the behavior of the animals as they enable the fly to react quickly to changes in the environment even during the clock-controlled rest state.
Both of these behavioral features were analyzed in more detail in this study. On the one hand, we investigated the influence of the compound eyes on the entrainment of the clock neurons and on the other hand, we tried to separate clock-controlled behavior from masking. To do so "nature-like" light conditions were simulated allowing the investigation of masking and entrainment within one experiment. The simulation of moonlight and twilight conditions caused significant changes in the locomotor behavior. Moonlit nights increased nocturnal activity levels and shifted the morning (M) and evening (E) activity bouts into the night. The opposite was true for the investigation of twilight, as the activity bouts were shifted into the day. The simulation of twilight and moonlight within the same experiment further showed that twilight appears to dominate over moonlight, which is in accordance to the assumption that twilight in nature is one of the key signals to synchronize the clock as the light intensity during early dawn rises similarly in every season. By investigating different mutants with impaired visual system we showed that the compound eyes are essential for the observed behavioral adaptations. The inner receptor cells (R7 and R8) are important for synchronizing the endogenous clock mechanism to the changes of day and night. In terms of masking, a complex interaction of all receptor cells seems to adjust the behavioral pattern, as only flies lacking photopigments in inner and outer receptor cells lacked all masking effects. However, not only the compound eyes seem to contribute to rhythmic activity in moonlit nights. CRY-mutant flies shift their E activity bout even more into the night than wild-type flies do. By applying Drosophila genetics we were able to narrow down this effect to only four CRY expressing clock neurons per hemisphere. This implies that the compound eyes and CRY in the clock neurons have antagonistic effects on the timing of the E activity bout. CRY advances activity into the day, whereas the compound eyes delay it. Therefore, wild-type behavior combines both effects and the two light inputs might enable the fly to time its activity to the appropriate time of day.
But CRY expression is not restricted to the clock neurons as a previous study showed a rather broad distribution within the compound eyes. In order to investigate its function in the eyes we collaborated with Prof. Rodolfo Costa (University of Padova). In our first study we were able to show that CRY interacts with the phototransduction cascade and thereby influences visual behavior like phototaxis and optomotor response. Our second study showed that CRY in the eyes affects locomotor activity rhythms. It appears to contribute to light sensation without being a photopigment per se. Our results rather indicate that CRY keeps the components of the phototransduction cascade close to the cytoskeleton, as we identified a CRY-Actin interaction in vitro. It might therefore facilitate the transformation of light energy into electric signals.
In a further collaboration with Prof. Orie Shafer (University of Michigan)  we were able to shed light on the significance of the extraretinal Hofbauer-Buchner eyelet for clock synchronization. Excitation of the eyelet leads to Ca2+ and cAMP increases in specific clock neurons, consequently resulting in a shift of the flies´ rhythmic activity.
Taken together, the experiments conducted in this thesis revealed new functions of different eye structures and CRY for fly behavior. We were furthermore able to show that masking complements the rhythmic behavior of the fly, which might help to adapt to natural conditions.
N2  - Der Wechsel von Tag und Nacht stellt für viele Organismen eine große Herausforderung dar, da sie ihre Physiologie und auch das Verhalten den äußeren Gegebenheiten anpassen müssen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, haben viele Organismen innere Uhren entwickelt, welche es ihnen erlauben, den Wechsel von Tag und Nacht vorherzusehen. Diesen inneren Uhren liegt ein molekularer Mechanismus zugrunde, welcher einen Rhythmus von etwa 24 Stunden generiert. Eine wichtige Eigenschaft dieser Uhren ist es, dass sie durch äußere Faktoren, so genannte Zeitgeber, an den Tag-Nacht-Wechsel angepasst werden können. Viele Studien an Mensch, Tier und Pflanze weisen darauf hin, dass Licht der wichtigste Zeitgeber ist, wobei auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder soziale Interaktionen die innere Uhr an den Tag-Nacht-Wechsel anpassen können. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkung von Licht auf das Lauf-verhalten und die innere Uhr genauer zu beleuchten, wozu der Modellorganismus Drosophila melanogaster herangezogen wird. 
Zahlreiche Forschergruppen haben sich bereits mit der Synchronisation der inneren Uhr durch Licht beschäftigt, wobei klar hervorgeht, dass die Taufliege verschiedene Möglichkeiten hat, Lichtinformationen für die Synchronisation der Uhr zu verwenden. Der wohl am besten untersuchte Prozess ist die Synchronisation durch das Pigment Cryptochrom. Dieses Molekül ist in etwa der Hälfte der Uhrneuronen exprimiert und greift direkt in den molekularen Uhrmechanismus ein, wodurch dieser an den Tag-Nacht-Wechsel angepasst werden kann. Schaltet man jedoch das Gen für dieses Molekül aus so zeigt sich, dass die Tiere dennoch dazu in der Lage sind sich an den Licht-Dunkel-Wechsel anzupassen. Dies bedeutet, dass die visuellen Organe Informationen an die innere Uhr weiterleiten können, wobei der Mechanismus dafür noch nicht vollständig entschlüsselt werden konnte. Selbiges trifft auf sogenannte Maskierungseffekte zu: Maskierung beschreibt eine Veränderung des Verhaltensmusters, welches nicht durch die innere Uhr gesteuert, sondern direkt durch äußere Reize hervorgerufen wird. Diese direkten Effekte komplettieren das Verhalten der Tiere, da sie dadurch selbst zu endogen ungünstigen Zeiten adäquat auf äußere Reize reagieren können.
In dieser Arbeit wird sich beider Phänomene angenommen: Zum einen soll die Bedeutung des visuellen Systems für die Synchronisation der inneren Uhr genauer untersucht, und zum anderen soll uhrgesteuertes Verhalten von Maskierung getrennt werden. Zu diesem Zweck wurden Lichtbedingungen simuliert, die den natürlichen ähnelten und die Untersuchung beider lichtabhängiger Effekte ermöglichten. Die Untersuchung von Dämmerung und Mondlicht zeigte deutlich, dass diese starke Veränderungen im Lauf-Verhalten hervorrufen. Die Simulation von Mondlicht bewirkte einen Anstieg der Nachtaktivität und ein Verschieben der Aktivitätsmaxima der Fliege in die Nacht. Das Gegenteil war bei Dämmerungssimulation zu beobachten, da die Tiere mehr Aktivität in den Tag legten. Bei gleichzeitiger Simulation von Mondlicht und Dämmerungsphasen zeigte sich, dass die Dämmerung ein stärkerer Zeitgeber ist als Mondlicht ist. Dieses Ergebnis geht einher mit der Annahme, dass die Dämmerung ein wichtiges Signal für die Synchronisation der inneren Uhr ist, da der Anstieg der Lichtintensität am frühen Morgen unabhängig von der Jahreszeit sehr ähnlich ist. Die Untersuchung von verschiedensten Mutanten konnte zudem zeigen, dass die Komplexaugen der Fliege von größter Bedeutung für die beobachteten Veränderungen im Verhaltensmuster und die Anpassung der inneren Uhr an "natürliche" Lichtbedingungen sind. Dabei stellte sich heraus, dass vor allem die inneren Rezeptorzellen wichtig für die Synchronisation der inneren Uhr und somit uhrgesteuerter Verhaltensänderungen sind. Für Maskierungseffekte scheint eine komplexe Interaktion von mehreren Rezeptorzellen für die Anpassung an Dämmerungs- und Mondlichtbedingungen vorzuliegen, da diese nur bei Mehrfachmutationen verschiedener Rhodopsine, den lichtabsorbierenden Molekülen der Fliege, verschwanden. Jedoch scheinen nicht nur die Komplexaugen das rhythmische Verhalten in Mondlichtnächten zu beeinflussen. Wird das Gen für Cryptochrom, dem Photorezeptor der inneren Uhr, ausgeschaltet, verschieben die Tiere ihre Abendaktivität noch stärker in die Nacht als es bereits beim Wildtyp der Fall ist. Durch verschiedene genetische Manipulationen konnten wir den Grund dieses Verhaltens auf die Expression von Cryptochrom in nur vier Uhrneuronen pro Hemisphäre zurückverfolgen. Zugleich zeigten unsere Ergebnisse, dass die Komplexaugen und Cryptochrom entgegengesetzte Wirkung auf das Timing der Abendaktivität haben. Während die Komplexaugen die Abendaktivität in die Nacht hinein schieben, bewirkt Cryptochrom, dass die Aktivität noch während des Tages stattfindet. Dies bedeutet, dass das wildtypische Verhalten eine Mischung aus beiden Lichteingängen ist und sich die Tiere somit ideal an die äußeren Gegebenheiten anpassen können.
Cryptochrom wird jedoch nicht nur in den Uhrneuronen, sondern unter anderem auch in den Komplexaugen der Tiere exprimiert. Um die Funktion in den Augen genauer zu untersuchen, konnten wir in Kollaboration mit Prof. Rodolfo Costa (University of Padova) zunächst zeigen, dass CRY mit der Phototransduktionskaskade über das Protein INAD interagiert und dadurch visuelles Verhalten, wie zum Beispiel Phototaxis oder die optomotorische Antwort, beeinflussen kann. In weiteren Experimenten konnten wir zudem zeigen, dass CRY in den Augen die lokomotorische Aktivität der Fliegen beeinflusst. Dabei trägt es zur Wahrnehmung von Licht bei, ohne jedoch per se ein Photopigment zu sein. Vielmehr scheint CRY die Phototransduktion dahingehend zu verändern, dass es den Phototransduktionskomplex an das Cytoskelett innerhalb der Rhabdomere bindet und somit die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Signale erleichtert.
Zusammen mit Prof. Orie Shafer (University of Michigan) ist es uns zudem gelungen, die Rolle des extraretinalen Hofbauer-Buchner-Äugleins für die Synchronisation der Uhr genauer zu beleuchten. Die Anregung des Äugleins führte dabei zu einem Anstieg der Ca2+ und cAMP Mengen in bestimmten Uhrneuronen und dies bewirkte eine Phasenverschiebung des Verhaltens der Taufliege.
Somit konnten in dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Funktionen von Cryptochrom und verschiedener Augenstrukturen für das Verhalten der Fliege gewonnen werden. Dabei konnten die Bedeutungen der inneren Uhr sowie von Maskierungseffekten für das Verhalten der Tiere in der Natur herausgearbeitet werden.
KW  - Taufliege
KW  - Moonlight
KW  - Rhodopsin
KW  - Tagesrhythmus
KW  - Twilight
KW  - Compound eyes
KW  - Biologische Uhr
KW  - Zeitgeber
KW  - Licht
KW  - Cryptochrom
KW  - Drosophila
KW  - Circadian Rhythms
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-114457
ER  -